数据采集和信号处理

3.3　数据采集和信号处理

根据医学信息系统的应用领域及目标不同，所要采集输入的数据也不同，系统采集哪种类型的数据，用什么方法输入，是一项必要的功能设计。数据应该在数据发生源地直接输入，是现代信息系统实现输入功能的基本原则。对不同类型的数据可用不同的输入方法，数字和文字信息可以用计算机键盘输入，也可以用扫描输入；语音输入法和手写输入法也在一些场合被使用。各种数字化医疗仪器设备可以通过数字接口将产生的数据直接输入计算机系统，有些检测仪器通过传感器采集数据，再由模数转换装置输入计算机；数字化视频音频技术是多媒体信息的主要输入技术，如病人的X线或CT扫描图像、影像资料等。通过网络采集数据已成为现代信息系统的主要途径之一，如传染病疫情检测等。数据采集输入的速度和质量是实现医学信息系统功能的重要环节。

现代医疗仪器通常都是集电子、机械于一体的复杂装置，是精密的、高可靠性和高安全性的自动或半自动系统。关于医用成像设备的原理和数据（图像）的处理我们将在第9章讨论。本节主要讨论人体生物电的测量和生理信息监测两个方面。

图3－5　人体生物电信号的测量

人体上能测量到的生物电信号很多，临床常用的生物电信号有:心电、脑电、肌电、胃电和视网膜电等。这些体表生物电信号通过电极拾取，经适当的生物电放大器放大和记录而成为心电图、脑电图、肌电图、胃电图、图视网膜电图等。由于人体生物电通常都很微弱，测量生物电必须使用生物电放大器才有可能。生物电放大器是普及程度最高的医疗仪器之一。参见图3－5。

1）生物电信号的特点

（1）信号微弱:最大的是心电QRS波，波幅在1—5mV左右，比较小的是诱发电位（0.1—10μV）和希氏束电位（1μV）。

（2）信号频率低:大部分都在几百赫兹以下超低频段，很多有用信号成分接近直流段，如胃电、心电的T波，而心电的S－T段就是观察其直流电平。

（3）强噪声背景（信噪比小）:生物电在测量时会受到很强的噪声干扰，如50Hz干扰，其他生物电信号干扰和测量设备本身的电子元器件噪声的干扰等。这些噪声的强度往往比信号大很多。

（4）电极电位影响:生物电测量都是用电极来测量的，当电极进入生物体组织或与生物组织表面接触时，会在电极和组织之间出现半电池电动势，也称电极电位。电极电位与电极材料有关，也与电极安放、电极面积、电流密度等有关系，电极之间的电位差可达300mV。

（5）包含深层次的信息:深层次信息包括强干扰下的动态信息，从体表上收集到的各种信号中提取生物体内各器官的信息，内部各组织的信息，以致细胞层次和分子层次的信息，以及各系统、各层次内的信息和相互之间的联系。例如瞬时心率含有自主神经活动的大量信息（交感神经、副交感神经、迷走神经），而从头皮上拾取的脑电信号隐含着大量脑工作的信息。生物电放大器是将生物电信号放大的电子器件。它应该不影响所检测部位的生理功能，将信号和干扰分离，此外还必须对可能的电击伤害提供有效保护等。

2）体表心电图

我们经常采用肢体导联记录心电图，即体表心电图。它是心脏的电活动经过肌体在体表形成的电位差。导联是将体表电信号通过电极接入生物电放大器的方式。常规心电图有12个导联。一般心电图机上有按钮装置，顺序记录。心电图机将测得的各导联心电图存储起来，重新排列后在需要时打印出来。

3）运动心电图

有些心脏病患者，在静息时心电图未见异常，但在运动加重心脏负担后，在心电图中就会出现缺血特征。因此运动负荷试验有助于诊断缺血性心脏疾病。运动心电记录系统实际上就是将心电图记录仪与负荷量可控制的运动设备通过计算机连接组合成的系统。运动试验的负荷可以根据年龄、体重等设置。心电记录设备能连续记录多道心电，实时进行S－T段分析，并能提供运动前后的心电比较。

4）心电动态监护和分析系统

动态监护和分析系统（ambulatory monitor system）的特点是可以对日常生活中的患者作连续24小时不间断的监护，有利于对偶发的症状作记录和诊断。最初的动态监护和分析系统用在动态记录和分析心电信号，现在除了心电信号，还出现了记录和分析其他信号的动态监护和分析系统。

5）脑电图

人的大脑皮质有自发的电活动，其电位随时间发生变化，我们用电极将这种电位随时间变化的波形提取出来并加以记录就可以得到脑电图。

脑电图机（electroencephalograph）是用来测量脑电信号的生物电放大器。由于脑电信号的幅值范围为10—100μV，比标准心电信号小两个数量级，因此对放大器的要求高于心电放大器。脑电图机电极的安放有单极导联法和双极导联法。

脑电图机除了检测自发脑电信号（EEG）外，还可以记录诱发电位如视觉诱发电位（VEP），听觉诱发电位（AEP）和体感诱发电位（SEP）。目前的脑电图机大多配备有声、光、电子刺激器等，此外还有脑电频率分析器等。

脑电监护和分析:自发脑电的监护和自动分析正逐渐得到临床应用。由于脑电没有类似于心电信号的特征波形，因此确定提取哪些脑电信号的特征并如何定量分析这些特征是十分重要的。由于自发脑电的波形是以信号的频率段来分类的，因此频域分析是比较常用的方法。通常频域分析是将脑电通过快速傅里叶变换转换成功率谱进行分析。

脑电分析需要同时记录和比较8—16道波形，难度较大。在对脑电做定量分析的基础上，将脑电的变化与具体位置即形态定位结合起来，可以比脑电分析更准确和更直观。脑电地形图就是在脑电图技术基础上，用计算机技术将曲线波形转换成能够定位和定量的彩色脑波图像。

除了自发脑电地形图外，诱发脑电也能形成诱发脑电地形图。脑电地形图可用于各种脑血管病的诊断，脑肿瘤的定位，癫痫、痴呆、心理学及精神分裂症等疾病的诊断。

6）血压的测量和监护

血压的直接测量是通过将测压导管插入被测体的血管内进行的，测压导管经皮由动脉穿刺后留置固定，测压导管上的压力传感器将压力信号转换成电信号，并在监视器上显示压力波形。血压的间接测量是一种非创伤性血压测量技术，它可以测得收缩压。舒张压和平均压，这是我们最常使用的血压测量方法。

7）血氧饱和度的测量和监护

血氧饱和度检测多采用脉搏血氧饱和度技术，所测量的血氧饱和度SpO2是指动脉血液中与氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红蛋白容量的百分比，即血液中血氧的浓度。脉搏血氧饱和度仪在麻醉、手术等大量临床应用中表明:通过SpO2监护，可及时评价血氧饱和度和亚饱和度状态，了解肌体的氧合功能，及早发现低氧血症，从而提高麻醉和重危患者的安全性，有效预防或减少手术期和急症期的意外死亡。

8）呼吸监护

呼吸监护包括监测呼气容量，气道压力，呼吸频率以及呼气末二氧化碳分压。呼吸监护仪多以风叶作为监护呼吸容量的传感器，呼吸气流推动风叶转动，用红外线发射和接收元件探测风叶转速，经电子系统处理后显示潮气量和每分钟通气量。气道压力检测利用放置在气道中的压力传感器检测。这些检测需要在患者通过呼吸管道进行呼吸时才能测得。呼气末二氧化碳分压的监护也需要在呼吸道中进行，而呼吸频率的监护不受此限。

9）体温监护

体温反应了机体新陈代谢的结果，是机体进行正常功能活动的条件之一。体温监护仪多用热敏电阻作传感器测量体温。体温测量的测量线路是惠斯通电桥，将热敏电阻接在电桥的一个桥臂上，通过测量电桥的不平衡输出测定体温。

10）心输出量监护

心输出量是衡量心功能的重要指标，在某些病理条件下，心输出量降低，使肌体营养供应不足。心输出量是心脏每分钟输出的血量，也称心排量，根据心输出量可以计算出很多有用的心功能指标。心输出量的测量方法分为有创和无创两大类。前者主要有Fick法、电磁流量计法、染料稀释法、热稀释法等，后者包括超声心动图、胸部电阻抗图等。

数据处理是医学信息系统功能的核心，包括数学计算、数据分类、排序、统计、数据文件的组织与管理等等。根据不同的医疗仪器所测量的肌体信息数据的特性，医学信息系统采用相应的处理方法，使我们对于患者相应组织或部位的健康水平有了定量的了解。